Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы в различных областях науки и техники большое распространение получили мощные генераторы и усилители СВЧ излучения. Мощное СВЧ излучение используется для радиолокации, передачи энергии на большие расстояния, в системах дальней связи, при изучении взаимодействия излучения с веществом, в биологических исследованиях и т.д.
К одному из наиболее обширных классов мощных приборов микроволновой электроники относятся источники излучения, принцип действия которых основан на продольном взаимодействии электронного потока с электромагнитным полем периодических электродинамических структур, имеющих положительную или отрицательную дисперсию основной волны. Наибольшее усиление и устойчивая генерация в устройствах данного класса наблюдается при реализации синхронизма потока и поля на частотах вблизи границ полосы прозрачности волноведущих систем. В этих частотных диапазонах все периодические системы проявляют резонансные свойства, в них одновременно могут возбуждаться прямые и обратные волны. В области традиционной электроники больших мощностей примером усилителей с взаимодействием вблизи границы полосы волноведущей системы, имеющей отрицательную дисперсию, служат часто применяемые на практике мощные ЛББ на цепочках связанных резонаторов. В сверхмощной электронике, где обычно применяются релятивистские сильноточные электронные пучки, перспективными оказались черенковские и дифракционные генераторы, использующие резонансные периодические структуры с положительной дисперсией основной волны и поперечными размерами, значительно превышающими длину волны излучения. Преимущества взаимодействия потока и поля на частотах вблизи границ полос прозрачности могут быть использованы также и в системах с поперечным взаимодействием, примером такого устройства является мазер на циклотронном резонансе и аномальном эффекте Доплера (МЦРАД).
Первые успешные эксперименты с релятивистскими сильноточными потоками были проведены в 70-х годах прошлого столетия, в частности, в карсинотроне с периодической электродинамической структурой типа гофра
была получена мощность излучения 10 Вт при КПД-10% в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн [1*]. Длительность импульса излучения была порядка длительности импульса тока и достигала нескольких десятков наносекунд. При этом энергия излучения оказалась достаточно малой, и для повышения энергии были запланированы эксперименты на физическом факультете МГУ на сильноточном ускорителе «Тандем», имевшем длительность импульса тока ~1 мкс. Однако ожидаемого увеличения длительности импульса излучения не было получено. Результаты подробных
экспериментальных и теоретических исследований генераторов позволили высказать предположение о том, что в экспериментах с карсинотроном могло быть реализовано взаимодействие потока и поля на частоте 'V-вида колебаний электромагнитного поля системы, что приводило к фиксации частоты генерации. Тогда же была выдвинута идея использования сверхразмерных структур для оптимизации сил пространственного заряда и уменьшения вероятности пробоя вблизи металлических стенок структур [2*,3*,5-7]. Выдвинутые идеи и результаты экспериментов положили начало новому направлению в релятивистской высокочастотной электронике, основанному на многоволновом взаимодействии релятивистского потока и поля сверхразмерных структур [3*-6*]. Рекордные до настоящего времени уровни мощности были получены в экспериментах с многоволновыми черенковскими генераторами (МВЧГ), проведенных в Томске в ИСЭ СО РАН, совместно с ИРЭ РАН и физическим факультетом МГУ (15 ГВт в 3-х см диапазоне длин волн [17] и 3 ГВт в 8-й мм диапазоне [23]).
Потребности теории новых приборов привели к разработке новых методов. Традиционные методы исследования взаимодействия потока и поля в приборах СВЧ - электроники не могли быть использованы для анализа процессов вблизи границы полосы прозрачности. Исключением являются метод волновых трансформаторов, часто используемый с привлечением эквивалентных схем [7*,8*] и модифицированный волновой подход [9*,10*]. Кроме того, переход к пространственно-развитым системам потребовал новых подходов, включающих точный электродинамический расчет электромагнитных полей сверхразмерных структур с релятивистским электронным потоком.
Основными проблемами при создании микроволновых устройств на резонансных периодических структурах с положительной или отрицательной дисперсией является устранение обратных связей и получение удовлетворительных полосовых характеристик в усилителях, получение одночастотной генерации с высокой эффективностью в генераторах. Надежная селекция мод, высокие уровни усиления, устойчивая генерация невозможны без детального изучения линейных и нелинейных процессов взаимодействия потока и поля в таких системах. Актуальным является изучение общих закономерностей взаимодействия потока и поля на частотах вблизи границ полосы прозрачности (прежде всего вблизи л-вида), а также особенности физических процессов в типичных усилителях и генераторах на резонансных периодических структурах. Этот круг проблем и является предметом изучения в диссертационной работе.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом исследовании процессов усиления, самовозбуждения и развития генерации во времени в устройствах, основанных на длительном преимущественном продольном взаимодействии электронных потоков с полями резонансных
одномодовых и многомодовых электродинамических структур для повышения эффективности и мощности излучения микроволновых источников. Специфика исследования заключается в изучении процессов взаимодействия потока и поля на частотах важных для практического применения резонансов вблизи низкочастотных или высокочастотных границ полос прозрачности низшей моды структуры.
Основные задачи, поставленные в диссертационной работе, относятся к исследованию взаимодействия потока и поля вблизи л-вида границы полосы прозрачности систем с отрицательной и положительной дисперсиями и состоят в следующем.
В разработке теоретического метода анализа взаимодействия электронных потоков с полями пространственно-развитых электродинамических систем, позволяющего рассматривать линейные, нелинейные и нестационарные процессы в мощных источниках микроволнового излучения.
В изучении дисперсионных характеристик и структуры собственных волн сверхразмерных периодических волноводов с электронным потоком и особенностей возбуждения этих волн в системах конечной длины.
В анализе общих закономерностей усиления, самовозбуждения и развития генерации в мощных микроволновых источниках, в том числе при учете поперечного и комбинированного (продольного и поперечного) взаимодействий потока и поля.
4. В исследовании особенностей взаимодействия в ряде реализованных
на практике новых вариантов мощных устройств: многосекционных
ЛБВ на цепочках связанных резонаторов, релятивистских ЛБВ-ЛОВ на
гофрированном волноводе, МЦР на аномальном эффекте Доплера,
релятивистских генераторах поверхностной волны, многоволновых
черенковских генераторах.
Основная идея, позволившая решить поставленные в диссертационной работе задачи по исследованию излучения мощных электронных потоков в резонансных периодических системах, заключается в представлении нерегулярных волноводов в виде цепочек связанных волновых трансформаторов. Разработанный на основе такого представления новый теоретический метод позволил с единой точки зрения рассматривать линейные, нелинейные и нестационарные процессы при взаимодействии электронных потоков с ПОЛЯМИ одномодовых и многомодовых электродинамических структур, в том числе на частотах границ полос прозрачности. Для решения конкретных задач используются различные реализации этого метода. В частности, одномодовое взаимодействие исследуется с помощью приближенного энергетического подхода, основанного на введении эквивалентных схем, анализ многомодового
взаимодействия потока и поля основывается на использовании одного из вариантов метода поперечных сечений.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
в разработке и реализации специального метода анализа взаимодействия электронных потоков с полями пространственно-развитых электродинамических систем, основанного на введении волновых трансформаторов, позволяющего с единых позиций рассматривать различные процессы в мощных источниках микроволнового излучения, в том числе на частотах вблизи границы полосы прозрачности одной из мод системы,
в анализе изменения дисперсии и структуры собственных волн периодических систем с электронным потоком, позволившем, в частности, выявить особенности формирования зависящей от влияния потока «горячей» границы полосы прозрачности, изучить многоволновый характер взаимодействия потока и поля в сверхразмерных волноводах,
в исследовании роли электронной среды, приводящей к дополнительному рассогласованию системы и возбуждению продольных колебательных мод структуры на динамически сдвинутых резонансных частотах,
в нахождении оптимального соотношения между черенковским и МЦР механизмами излучения, позволяющего повысить эффективность взаимодействия релятивистского электронного потока с полем резонансной замедляющей структуры на частотах вблизи границы полосы прозрачности,
в выявлении важной роли поверхностной волны в формировании усиления и обратных связей в релятивистских черенковских генераторах на сверхразмерных периодических волноводах, в том числе использующих многоволновое взаимодействие потока и поля,
в обнаружении и исследовании повышения эффективности излучения генераторов при отстройке точки синхронизма потока и поля от частоты 7г-вида в сторону ЛБВ или ЛОВ и принципиальных отличий спектра генерации для систем с преобладающим взаимодействием ЛБВ или ЛОВ-типов,
в изучении внешней и внутренней синхронизации в секциях многосекционных генераторов и доказательстве определяющей роли первой секции в формировании спектра генерации,
в анализе физических процессов в многосекционных усилителях типа ЛБВ на цепочках связанных резонаторов, в первых образцах релятивистских генераторов типа ЛБВ-ЛОВ, МЦР на аномальном эффекте Доплера, в многоволновых черенковских генераторах.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
на основе единого подхода разработана совокупность теоретических методов различного уровня сложности и создан комплекс программ, позволивших исследовать электродинамические свойства периодических волноводов, процессы усиления, самовозбуждения и генерации в одномодовых устройствах и устройствах релятивистской электроники на сверхразмерных периодических структурах,
установленные в работе особенности самовозбуждения устройств вблизи границ полосы прозрачности, позволяют находить частоты генерации и стартовые условия и, могут быть использованы при создании новых конструкций черенковских источников микроволн на сверхразмерных периодических волноводах,
- результаты исследования соотношения между черенковским и МЦР излучениями в релятивистских устройствах применимы для объяснения характерных зависимостей мощности выходного СВЧ сигнала от магнитного поля и могут быть использованы для решения проблемы селекции мод в многомодовых устройствах релятивистской электроники,
- на основе развитого в работе волнового анализа, основанного на
выделении собственных волн системы и позволяющего определять
трансформацию волн на входе и выходе устройства, изучены особенности
возбуждения паразитной генерации, показана принципиальная возможность
создания усилителей с уменьшенными обратными связями,
- результаты анализа эффективности взаимодействия потока и поля и формирования спектра излучения релятивистских источников на сверхразмерных волноводах объясняют ряд характеристик существующих экспериментальных макетов многоволновых генераторов и могут быть использованы для создания новых источников с улучшенными параметрами.
На защиту выносятся следующие основные положения.
Разработанные в работе теоретические методы, основанные на представлении нерегулярных периодических волноводах цепочками связанных волновых трансформаторов, позволили впервые с единых позиций рассмотреть стационарные и нестационарные процессы взаимодействия потока и поля на частотах границ полос прозрачности в мощных источниках СВЧ излучения: ЛБВ на цепочках связанных резонаторах (в том числе с плазменным заполнением), ЛБВ-ЛОВ на гофрированном волноводе, МЦР на аномальном эффекте Доплера, релятивистском генераторе поверхностной волны на сверхразмерном периодическом волноводе, многоволновом черенковском генераторе.
В микроволновых генераторах и усилителях на периодических волноводах существует область значений фокусирующего магнитного поля, при которых реализуется синхронизм циклотронных волн потока и поля на частотах границы полосы прозрачности и резко возрастает
усиление и электронный КПД в системе. Этот механизм усиления может быть использован для селекции колебаний в МЦР на аномальном эффекте Доплера и выбора оптимальных фокусирующих магнитных полей в релятивистских источниках на продольном взаимодействии.
3. В мощных усилителях и генераторах на сверхразмерных периодических
волноводах взаимодействие потока и поля поверхностной волны на
частоте границы полосы прозрачности является эффективным методом
селекции колебаний. В этом случае:
релятивистский электронный поток изменяет структуры полей собственных волн периодического волновода, в частности, образуется электронная мода с максимумом вихревого поля в области локализации пучка, а также электромагнитные моды, характеризующиеся минимумом поля в области потока,
существует оптимальный радиус потока, определяемый многоволновым характером взаимодействия и обеспечивающий наилучший энергообмен потока и поля,
электрическое поле характеризуется наличием двух областей локализации - вблизи поверхности волновода (возбуждение поверхностной волны) и на оси структуры (рассеяние поверхностной волны и возбуждение объемных волн структуры).
4. Исследования формирования одночастотного электромагнитного поля в
многоволновом черенковском генераторе, проведенные в рамках
линейной и нелинейной нестационарной методик позволили установить:
- для получения максимальной эффективности генерации в
релятивистских источниках на сверхразмерных волноводах (РГПВ и
МВЧГ) необходимо отстраиваться от точного синхронизма потока и
поля на 7г-виде,
- в процессе развития генерации происходит конкуренция основных
механизмов взаимодействия потока и поля, в результате
установившееся значение частоты генерации близко к частоте
ближайшей к 7г-виду продольной моды колебаний поверхностной
волны,
при реализации преобладающего взаимодействия ЛБВ-типа (типичного для МВЧГ) мощность генерации может на порядок превышать мощность генерации в системе с преобладающим взаимодействием ЛОВ-типа, при этом, спектр излучения генератора ЛБВ-типа характеризуется набором дискретных частот, на которых наблюдается самовозбуждение и генерация, в генераторе типа ЛОВ частота генерации плавно изменяется при изменении точки кинематического синхронизма,
В многосекционных генераторах спектр генерации в основном определяется процессами в первой секции.
Достоверность результатов устанавливается:
соответствием данных, полученных теоретическими методами различного уровня сложности,
совпадением экспериментальных и теоретических результатов при исследовании мощных многосекционных ЛБВ на связанных резонаторах,
совпадением экспериментальных и теоретических результатов при исследовании релятивистских ЛБВ-ЛОВ на гофрированном волноводе, МЦР на аномальном эффекте Доплера, многоволновых черенковских генераторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях и школах-семинарах: на всесоюзных семинарах " Колебательные явления в потоках заряженных частиц " (Ленинград, 1977г. 1979г. 1981г.), всесоюзных конференциях по электронике СВЧ (Киев, 1976, Минск, 1983г., Орджоникидзе, 1986 г.), всесоюзной конференции «Автоматизация проектных и конструкторских работ» (Москва, 1979г.), на всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике ( Новосибирск , 1982г., Томск,1986г., 1988 г., Свердловск, 1990 г.), III Всесоюзном семинаре «Высокочастотная релятивистская электроника» (Горький, 1983 г.), всесоюзном семинаре проблемы электроники " (Москва, МИЭМ, 1981г.), на Всесоюзном семинаре по электродинамике периодических и нерегулярных структур (Москва, МЭИ, 1982г.), 7 Inter. Conf. on High-Power ParticleBeams (Karlsrahe,1988), на 44 Всесоюзной сессии, посвященной дню Радио (Москва, 1989, Новосибирск, 1989.), на всесоюзном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции (Москва, МГУ, 1990), на 10 всесоюзном семинаре "Волновые и колебательные явления в электронных приборах О-типа" (Ленинград, 1990 ), 9 Intern. Conference on High-Power Particle Beams (Washington, 1992), 16 Intern. Symp. on discharges and Electr. Insulation (Moscow-St.Petersbugrg,1994), всероссийских школах-семинарах «волновые явления в неоднородных средах» и «физика и применение микроволн» (Красновидово, Звенигород 1991-2004 гг.).
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 88 печатных работ (1 монография, 27 статей в российских и зарубежных журналах, 18 статей в тематических сборниках и сборниках трудов научных конференций, 4 депонированных рукописи, 1 препринт, 37 тезисов докладов).
